超超臨界機(jī)組軸承失效分析

姜小龍

1 軸承工作原理及影響因素

根據(jù)潤(rùn)滑理論，對(duì)于動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，如果軸承負(fù)載過(guò)輕，軸承油膜過(guò)厚，油膜容易失穩(wěn)而發(fā)生油膜振蕩；如果軸承負(fù)載過(guò)重，油膜容易破裂而產(chǎn)生軸承和軸頸局部干摩擦而使軸瓦溫度升高。為使軸承油膜不致過(guò)厚也不致過(guò)薄，即不發(fā)生油膜振蕩也不致軸瓦溫度過(guò)高，就必須找出油膜厚度與軸承負(fù)載等參數(shù)之間的關(guān)系，即通常監(jiān)視的軸承溫度和振動(dòng)反應(yīng)油膜厚度狀態(tài)。影響油膜工作狀態(tài)的原因很多，大致分析歸類(lèi)如下。

軸承鎢金澆鑄質(zhì)量不良。澆鑄質(zhì)量不良，結(jié)合不佳，存在脫胎現(xiàn)象，當(dāng)承受動(dòng)載荷或溫度變化時(shí)，結(jié)合不牢，脫胎現(xiàn)象將進(jìn)一步加劇。

軸承負(fù)載分配不均。轉(zhuǎn)子中心偏差、軸承溫度和揚(yáng)度變化，軸振動(dòng)過(guò)大，轉(zhuǎn)子受到向下的力過(guò)大、轉(zhuǎn)速超過(guò)允許值，軸封漏汽引起軸承座標(biāo)高發(fā)生變化等，都可能產(chǎn)生軸承載荷分配不均。

軸承球面自動(dòng)調(diào)整能力差。軸承間隙過(guò)小或過(guò)大，軸承緊力過(guò)大，可傾瓦墊塊方向裝反限制活動(dòng)的范圍，軸承安裝偏斜，軸承底座墊片增加的過(guò)多，軸承與軸頸揚(yáng)度不一致（不同心）等，都可能使軸承球面自動(dòng)調(diào)整能力變差。

軸承潤(rùn)滑油油質(zhì)差。汽輪機(jī)潤(rùn)滑油的主要作用是潤(rùn)滑軸承和減少軸承的摩擦損失以及冷卻軸承的作用。潤(rùn)滑油油質(zhì)的優(yōu)劣將直接影響著汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性。油溫過(guò)高或過(guò)低、潤(rùn)滑油黏度不符、油流量過(guò)大或過(guò)小、回油不暢、潤(rùn)滑油斷油、油質(zhì)不良或油質(zhì)惡化，其中潤(rùn)滑油壓力過(guò)低或過(guò)高，潤(rùn)滑油中雜質(zhì)的進(jìn)入是油質(zhì)劣化的重要原因，油流中或軸承內(nèi)存在氣體或雜物，頂軸油管逆止閥不嚴(yán)，油膜壓力下降等，都可使軸承溫度升高造成軸承損壞和軸徑拉傷。

2 660 MW機(jī)組軸瓦溫度高的事故簡(jiǎn)介

某電廠的3號(hào)機(jī)組為超超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)機(jī)組，型號(hào)為N660-25/600/600，機(jī)組設(shè)計(jì)為1號(hào)、2號(hào)軸承可傾瓦，其余為橢圓瓦。該機(jī)組在2011年投運(yùn)后1號(hào)、2號(hào)軸承溫度一直偏高，其中1號(hào)軸承溫度達(dá)104℃左右。故障首次發(fā)生在2012年的一次停機(jī)惰走過(guò)程，該機(jī)組在22:14脫扣，當(dāng)機(jī)組惰走到900 r/min時(shí)，1號(hào)軸承溫度達(dá)到105℃，出現(xiàn)高溫報(bào)警；當(dāng)轉(zhuǎn)速在60 r/min時(shí)突然下降到0，這時(shí)1號(hào)軸承溫度突升到160℃左右。這次停機(jī)惰走時(shí)間共45分鐘，比以往明顯縮短。隨后手動(dòng)投入盤(pán)車(chē)，馬達(dá)電流23 A，偏心90μm，聽(tīng)棒在前軸承箱處可聽(tīng)到碰擦聲音。盤(pán)車(chē)投入約1小時(shí)后馬達(dá)電流恢復(fù)到正常值22 A，偏心逐漸下降到0。這過(guò)程大約在23:35結(jié)束，從1號(hào)軸承回油窗中取出片狀和條狀的烏金碎屑。解體后發(fā)現(xiàn)上下瓦塊的水平結(jié)合面積聚大量片狀烏金碎屑，并有部分烏金碎屑嵌在上瓦烏金面內(nèi)。通過(guò)對(duì)軸承油隙的測(cè)量，估算下面兩塊軸瓦烏金至少熔掉0.4 mm，軸頸未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕和拉毛缺陷。隨后使用超聲波對(duì)該機(jī)組的所有軸瓦進(jìn)行探傷檢查，發(fā)現(xiàn)多個(gè)軸瓦結(jié)合面有邊緣脫胎現(xiàn)象。檢查結(jié)果如表1。

表1 軸瓦無(wú)損探傷檢測(cè)結(jié)果表

此外有部分軸瓦出現(xiàn)線性顯示，但處于GB/T18329.1-2001標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

3 超聲檢測(cè)可行性分析

軸瓦是由巴氏合金與鋼質(zhì)基體兩種金屬結(jié)合，如圖1所示，對(duì)于粘合部位相當(dāng)于異質(zhì)界面，而對(duì)于未結(jié)合部位而言相當(dāng)于巴氏合金與空氣相接。由于軸瓦背面鋼質(zhì)基體形狀不規(guī)范，因此檢測(cè)時(shí)選擇在將探頭放在巴氏合金一側(cè)，超聲波遇到異質(zhì)界面時(shí)既有透射也有反射，若超聲波由巴氏合金層到空氣界面時(shí)則會(huì)發(fā)生全反射，若異質(zhì)界面是鋼則反射率R低，根據(jù)反射率公式（1）。

圖1 #3—#7軸瓦結(jié)構(gòu)圖

其中P0為入射聲壓；Pr為反射聲壓；R為聲壓反射率，Z1為介質(zhì)l聲阻抗；Z2為介質(zhì)2聲阻抗。在錫基合金結(jié)合良好的情況下，介質(zhì)2為鋼，介質(zhì)1為錫基合金，由式（1）計(jì)算可知此時(shí)反射聲壓為：

在錫金合金未結(jié)合情況下，介質(zhì)2為空氣，介質(zhì)1為錫基合金，由式（1）計(jì)算可知此時(shí)反射聲壓為：

根據(jù)有關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)結(jié)果，取

ρ巴=7.3×103kg/m3，

C巴=3.4×103m/s，

ρ鋼=7.8×103kg/m3，

C鋼=5.9×103m/s，

代入公式（1）得：

R巴鋼=29.5%，

R巴氣=100%。

因此以巴氏合金與空氣界面的100%反射為基準(zhǔn)，則結(jié)合部分的異質(zhì)界面反射波高為29.5%，即低于30%，由于未粘合部位夾層介質(zhì)的聲阻抗介于空氣和鋼之間，因此反射率會(huì)高于30%。由此得出巴氏合金的檢驗(yàn)方法如下：調(diào)整靈敏度，將曲面探頭放到相應(yīng)的曲面試塊上調(diào)節(jié)波形，使最高次反射波達(dá)到滿屏高100%，在增益衰減均不變的情況下在工件上檢測(cè)，若最高次反射波達(dá)到30%以上，同時(shí)在其他面能出現(xiàn)兩次以上回波，則此可判斷此位置為未結(jié)合部位[1]。

圖2 #1軸承溫度與調(diào)門(mén)開(kāi)度的關(guān)系

4 事故分析

4.1 系統(tǒng)分析

事故后對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況與軸瓦溫度的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)1號(hào)軸瓦金屬溫度與負(fù)荷、調(diào)門(mén)開(kāi)度、調(diào)節(jié)方式等有密切關(guān)系，在不同的負(fù)荷段，該軸瓦溫度與負(fù)荷之間有相反的變化的關(guān)系：在負(fù)荷小于600 MW時(shí)，軸瓦溫度隨負(fù)荷的增加而增加，而在大于600 MW以后，軸瓦溫度卻隨負(fù)荷增加而降低。由圖2可以發(fā)現(xiàn)：負(fù)荷低于600 MW時(shí)，4號(hào)調(diào)門(mén)全閉，1、2號(hào)調(diào)門(mén)隨負(fù)荷增加而開(kāi)大，3號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)度雖然較小，但到600 MW以上時(shí)也隨負(fù)荷增加而開(kāi)大，軸瓦金屬溫度峰值出現(xiàn)在3號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)大而4號(hào)調(diào)門(mén)未開(kāi)時(shí)。在負(fù)荷大于600 MW以后，1、2號(hào)調(diào)門(mén)全開(kāi)，3號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)度達(dá)到15%，4號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)啟，之后隨負(fù)荷增加3、4號(hào)調(diào)門(mén)逐漸開(kāi)大，在這個(gè)階段軸瓦金屬溫度出現(xiàn)隨負(fù)荷增大而降低的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)組在全周進(jìn)汽方式運(yùn)行時(shí)，即四個(gè)調(diào)門(mén)開(kāi)度一致時(shí)，負(fù)荷的變化不會(huì)引起軸瓦金屬溫度的變化，始終為85℃左右。由上面分析可知，1號(hào)軸瓦溫度與調(diào)門(mén)開(kāi)啟過(guò)程有明顯的關(guān)系。

圖3 #1軸承高壓調(diào)門(mén)分布

1號(hào)軸瓦采用的是自位式可傾瓦，共有4塊軸瓦，其位置同圖3所示的噴嘴弧段位置一致，軸瓦的溫度測(cè)點(diǎn)在右下半底部瓦塊上。該種軸承適用于溫度變化較大的場(chǎng)合，但為了適應(yīng)轉(zhuǎn)子傾角的變化，對(duì)轉(zhuǎn)子中心度有較高要求。當(dāng)機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)速汽門(mén)相應(yīng)開(kāi)啟，蒸汽進(jìn)入不同的噴嘴弧段，通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)葉片做功，這時(shí)軸承上承受的負(fù)載的大小和方向是處于變化狀態(tài)的。在1號(hào)、2號(hào)調(diào)門(mén)同步開(kāi)啟過(guò)程中，轉(zhuǎn)子受向下的作用力，隨著1號(hào)、2號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)大，軸瓦負(fù)載變大，溫度升高。但3號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)啟后，轉(zhuǎn)子又受到一個(gè)指向右上方的作用力而使轉(zhuǎn)子向右下方偏移，使右下部瓦塊的負(fù)載變大，導(dǎo)致軸瓦溫度進(jìn)一步升高。隨著4號(hào)調(diào)門(mén)開(kāi)啟后，轉(zhuǎn)子的偏移量得到扼制，亦改善了軸瓦的偏載量，因此軸瓦溫度開(kāi)始下降。1號(hào)軸瓦下部?jī)蓧K瓦塊溫度和調(diào)門(mén)開(kāi)度的關(guān)系如圖4所示，圖4中可以清楚看出兩塊瓦塊的溫度差異。因此換成部分進(jìn)汽方式后，1號(hào)軸瓦溫度會(huì)明顯升高，且隨部分進(jìn)汽量的改變而變化。進(jìn)汽方式的變化以及部分進(jìn)汽量的改變，相應(yīng)改變了原來(lái)作用在1號(hào)軸瓦上的均勻分布載荷，這種不平衡達(dá)到一定程度后，油膜穩(wěn)定性被破壞，從而導(dǎo)致軸瓦溫度的突然升高。

圖4 #1軸瓦下部?jī)蓧K瓦塊溫度和調(diào)門(mén)開(kāi)度的關(guān)系

表2 下瓦巴氏合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表%

考慮到在同型號(hào)的其他機(jī)組中也出現(xiàn)1號(hào)軸瓦溫度過(guò)高的情況，這說(shuō)明該類(lèi)機(jī)組的1號(hào)軸瓦在工作穩(wěn)定性設(shè)計(jì)上是可能存在問(wèn)題的。查閱廠家圖紙發(fā)現(xiàn)該型號(hào)機(jī)組在設(shè)計(jì)上1號(hào)軸承沒(méi)有頂軸油，由于轉(zhuǎn)子太重，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸頸在軸承內(nèi)無(wú)法形成油膜或者油膜不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致1號(hào)軸瓦運(yùn)行中溫度偏高。為了維持和提高運(yùn)行中軸瓦工作穩(wěn)定性，保持良好的潤(rùn)滑，經(jīng)與廠家商榷，變更設(shè)計(jì)，增加頂軸油，適當(dāng)放大1號(hào)軸瓦的潤(rùn)滑油進(jìn)油節(jié)流孔板孔徑，加大該軸瓦的供油應(yīng)是一個(gè)可行的方法。另外1號(hào)軸瓦烏金磨損在低轉(zhuǎn)速下即油膜失穩(wěn)后加劇，分析原因主要是該機(jī)組主機(jī)油溫切換目前是定在轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)進(jìn)行，即轉(zhuǎn)速在900 r/min以上油溫為42℃，900 r/min以下為35℃。機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，由于須在1 900 r/min進(jìn)行中速暖機(jī)，所以油溫的提高有足夠的時(shí)間，而在停機(jī)轉(zhuǎn)子惰走中，由于無(wú)中間轉(zhuǎn)速停留，油溫下降的速度相對(duì)滯后于轉(zhuǎn)速的下降，易發(fā)生低轉(zhuǎn)速下油膜破壞現(xiàn)象。所以可以適當(dāng)提高油溫的切換轉(zhuǎn)速值來(lái)改變這種問(wèn)題的發(fā)生[2]。

4.2 理化分析

針對(duì)其他瓦塊出現(xiàn)脫胎現(xiàn)象，使用752型紫外可見(jiàn)光光度計(jì)對(duì)脫胎的下瓦合金層取樣進(jìn)行了化學(xué)成分和金相分析，化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表2，其中軸瓦合金材料為：ZSnSb12Cu6Cdl。

由表2可見(jiàn)到銻含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；兩次檢驗(yàn)銅含量均超出了標(biāo)準(zhǔn)要求上限，鎳、鎘和砷含量均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，雜質(zhì)元素鉛和鋅含量均超出了標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。軸瓦下瓦錫基合金元素總量明顯偏離了標(biāo)準(zhǔn)要求。因此汽輪機(jī)軸瓦下瓦巴氏合金化學(xué)成分明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 巴氏合金基體金相組織

此外對(duì)巴氏合金層基體和靠近結(jié)合面處取試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)。在顯微組織中可觀察到合金組織如圖5所示，分三種：黑色基體、白色方形和白色顆粒，根據(jù)最新金相圖譜大全分析判斷黑色基體為α固溶體、白色方形相為β(SnSb)、白色小顆粒相為ε（Cu6Sn5）。由下瓦靠近結(jié)合面處金相試樣分析可看到，如圖6所示，組織中化合物在靠近結(jié)合面處存在厚度不均勻的連續(xù)的β相層+零星淺色顆?；驍嗬m(xù)的淺色層，存在輕度偏析[3]。β相硬而脆，在結(jié)合面處存在連續(xù)并且厚度不均勻的β相有可能會(huì)降低界面的結(jié)合強(qiáng)度。合金層與鋼背結(jié)合處附近合金層的顯微組織對(duì)軸瓦的粘合強(qiáng)度影響很大，硬而脆的ε和β相如偏聚在結(jié)合面附近，容易構(gòu)成脆性帶，當(dāng)軸瓦受沖擊載荷時(shí)，合金層容易剝落。

圖6 巴氏合金靠近結(jié)合面處金相組織

由化學(xué)分析可知，下瓦銅元素含量明顯超標(biāo)，ε相比例增加，這導(dǎo)致合金強(qiáng)度增加，但同時(shí)塑性和韌性卻大大降低，合金抗交變和抗沖擊載荷作用的能力降低，影響巴氏合金與鋼質(zhì)基體的結(jié)合質(zhì)量，容易碎裂和剝落。此外，鑄造溫度一般只需高出初晶溫度50℃～100℃即可，而ε相結(jié)晶溫度是隨銅含量變化的，所以鑄造溫度一般由銅含量決定。銅含量超標(biāo)容易使得根據(jù)名義成分確定的澆鑄溫度可能顯著低于實(shí)際成分對(duì)應(yīng)的最佳澆鑄溫度，從而影響合金層的澆鑄質(zhì)量。合金層中含有過(guò)多的鉛將降低合金的沖擊韌度及高溫性能。鋅含量的變化會(huì)明顯影響β相的變形和聚集。綜合以上化學(xué)分析及金相分析得知，下瓦錫基巴氏合金元素總量超出標(biāo)準(zhǔn)要求，β相在靠近結(jié)合面處出現(xiàn)輕度偏析等導(dǎo)致下瓦巴氏合金層出現(xiàn)脫胎[4]。

5 結(jié)論

5.1 運(yùn)行方面

機(jī)組啟動(dòng)和正常運(yùn)行中，將軸承溫度作為重要的監(jiān)視參數(shù)，并且根據(jù)機(jī)組工況變化，分析變化趨勢(shì)，與歷史數(shù)據(jù)、控制數(shù)值、機(jī)組首次安裝啟動(dòng)或與大修后數(shù)值對(duì)比，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和預(yù)控。調(diào)速汽門(mén)開(kāi)啟順序優(yōu)化，既要考慮軸承載荷又要考慮轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；機(jī)組油溫和壓力保持在正常范圍內(nèi)，油質(zhì)符合規(guī)定；軸封壓力保持在正常范圍內(nèi)，保證不外漏和油中不進(jìn)水。

5.2 檢修工藝

制定嚴(yán)格的軸承檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)，按照檢修文件來(lái)進(jìn)行，加強(qiáng)人員的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。軸承承載力按照設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行分配，軸承重載比軸承輕載抗氣流激振性能強(qiáng)，提高軸承的穩(wěn)定性，軸承檢修后各部間隙、進(jìn)油流量、接觸面積、軸瓦緊力，軸系揚(yáng)度、軸承載荷等負(fù)荷檢修工藝規(guī)程。汽封間隙要合理，符合制造廠規(guī)定，間隙過(guò)大軸封漏汽過(guò)大、加熱軸承座，使軸承座標(biāo)高抬高，尤其#2軸瓦，使#1軸瓦承載力減小，穩(wěn)定下降。

5.3 制造工藝

在制造過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)軸瓦材料質(zhì)量及制造過(guò)程的控制，防止產(chǎn)生軸瓦掛錫層，從而預(yù)防剝落現(xiàn)象發(fā)生。在錫基軸承合金中，由于α、β、ε三種相間存在比重差別，當(dāng)離心鑄造時(shí)，在離心力的作用下，比重大的ε相于外層析出較多，而比重小的β相則在內(nèi)層出現(xiàn)，因此容易構(gòu)成偏析。為防止此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生，可采取如下的措施：在澆鑄前盡力攪拌溶液，使其均勻分布而ε相不致下沉；或在采用離心鑄造時(shí)，根據(jù)軸承的大小，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速來(lái)改善比重偏析。

［1］國(guó)家能源局.汽輪發(fā)電機(jī)合金軸瓦超聲波檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［2］汪玉林.汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行及事故處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］高強(qiáng).最新有色金屬金相圖譜大全［M］.北京：中國(guó)冶金工業(yè)出版社，2005.

［4］巴發(fā)海，李晉升，龔應(yīng)時(shí).核電站大型巴氏合金軸瓦失效分析［J］.理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)，2006，42（7）：355-359.